JPH03162641A - Force detecting device - Google Patents

Force detecting device

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JPH03162641A
JPH03162641A JP30241989A JP30241989A JPH03162641A JP H03162641 A JPH03162641 A JP H03162641A JP 30241989 A JP30241989 A JP 30241989A JP 30241989 A JP30241989 A JP 30241989A JP H03162641 A JPH03162641 A JP H03162641A
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JP
Japan
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semiconductor substrate
strain
resistance
conductivity type
reverse
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JP30241989A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiro Okada
和廣 岡田
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Wako KK
Original Assignee
Wako KK
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Abstract

PURPOSE:To enable accurate force detection which is not affected by a leak current by forming P-N junction in a semiconductor substrate by using a reverse conductive layer formed on the reverse surface side of the substrate. CONSTITUTION:The force detecting device consists of the semiconductor substrate 10, a connection layer 20, and a strain inducer 30. A gate resistance 11 is a resistance element obtained by diffusing P type impurities in the N type semiconductor substrate 10 and has piezoelectric resistance effect which varies in electric resistance by mechanical deformation. Then the P type reverse conductive layer 13 is formed on the reverse surface side of the semiconductor substrate 10. Then the semiconductor substrate 10 and strain inducer 30 are put in a eutectic coupled state through the connection layer 20 made of metal, so the semiconductor substrate 10 and strain inducer 30 become conductive. In general, the strain inducer 30 is screwed to a device housing, so when a leak current flows from a gauge resistance 11 to the device housing, so it exerts important influence upon the measurement accuracy. This leak current can be cut off by a potential barrier formed of the P-N junction between a substrate area 12 and the reverse conductive layer 13.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は力検出装置、特に半導体基板上に形戊された抵
抗素子の電気抵抗の変化により力を険出する装置に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a force detection device, and particularly to a device that exerts force by changing the electrical resistance of a resistive element formed on a semiconductor substrate.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

一般に、ある作用点に働く力を検出する装置は、この力
の作用によって生しる応力歪みを検出することによって
間接的に力の険出を行っている。応力歪みの検出は、力
の作用によって応力歪みを生じる起歪体の各部にストレ
ーンゲージなとの険出器を設け、この検出器の抵抗値な
どの変化をijPI定することによって行われている。
Generally, a device that detects a force acting on a certain point of action indirectly detects the stress strain produced by the action of this force. Detection of stress strain is carried out by installing a strain gauge or other strain gauge at each part of the strain body that generates stress strain due to the action of force, and determining changes in the resistance value of this detector as ijPI. .

最近では、機械的変形によって電気抵抗が変化するとい
うビエゾ抵抗効果の性質を備えた抵抗素子を、半導体基
板上に配列し、この抵抗素子の抵抗値の変化から力を険
出する技術が提案されている。力の作用によって半導体
基板上に機械的な歪みを起こさせ、これによって生しる
抵抗素子の抵抗値の変化を電気的に険出するのである。
Recently, a technology has been proposed in which resistance elements with a viezoresistance effect, in which electrical resistance changes due to mechanical deformation, are arranged on a semiconductor substrate, and force is generated from changes in the resistance value of the resistance elements. ing. The action of force causes mechanical strain on the semiconductor substrate, and the resulting change in the resistance value of the resistive element is electrically exposed.

たとえば、特開昭63−266329号公報には、XY
平面上に広がった基板上の、X軸方向およびY軸方向に
沿った所定位置に、複数の抵抗素子を形成し、これら抵
抗素子を特有のブリッジ回路に組むことにより、各軸方
向に作用した力および各軸回りに作用したモーメントを
、ブリッジ電圧の変化として険出てきる技術が開示され
ている。また、特願平1−105482号明細書には、
半導体基板と起歪体との間に接続層を設け、起歪体から
半導体基板までを共晶結合によって接続する発明が開示
されている。このように、外力を一旦起正体に作用させ
、起歪体に作用した外力の一部を半導体基板まで伝達さ
せることにより、半導体基板を破損から保護することが
できる。
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-266329,
By forming multiple resistance elements at predetermined positions along the X-axis direction and the Y-axis direction on a substrate spread out on a flat surface, and assembling these resistance elements into a unique bridge circuit, the A technique is disclosed in which forces and moments acting around each axis are expressed as changes in bridge voltage. Furthermore, in the specification of Japanese Patent Application No. 1-105482,
An invention is disclosed in which a connection layer is provided between a semiconductor substrate and a strain body, and the strain body and the semiconductor substrate are connected by eutectic bonding. In this manner, the semiconductor substrate can be protected from damage by once applying an external force to the strain-generating body and transmitting a portion of the external force acting on the strain-generating body to the semiconductor substrate.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

一般に起歪体としては金属が用いられるが、この金属を
半導体基仮に共晶結合によって接続すると半導体基板か
ら起歪体まてが導通状態となるため、基板上に形成され
た抵抗素子のPN耐圧が低いと、抵抗素子と起歪体との
間にリーク電流が流れる。このリーク電流は力の測定値
に変動を及ほし、正確な測定を妨げるという弊害を引き
起こす。
Generally, a metal is used as a strain element, but if this metal is connected to a semiconductor substrate through eutectic bonding, the strain element becomes electrically conductive from the semiconductor substrate, so the PN withstand voltage of the resistance element formed on the substrate increases. When the resistance is low, a leakage current flows between the resistance element and the strain body. This leakage current causes fluctuations in the measured force value, causing an adverse effect of preventing accurate measurement.

このような弊害を解消するために、半導体基板と起歪体
との間の接続層内に絶縁膜を形成する方法が特願平1−
105482号明細書に提案されている。しかしながら
、半導体基板と起正体との間に共品結合を保ちつつ両者
間に絶縁膜を形成することは、技術的に困難な面が多い
In order to eliminate such problems, a method of forming an insulating film in the connection layer between the semiconductor substrate and the strain-generating body is disclosed in Japanese Patent Application No.
It is proposed in the specification of No. 105482. However, it is technically difficult to form an insulating film between a semiconductor substrate and a substrate while maintaining a bond between them.

そこで本発明は、金属製起正体と半導体基板との間を共
晶結合によって良好に接続しながら、リーク電流の影響
のない正確な力検出を行い得る力検出装置を提供するこ
とを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a force detection device that can perform accurate force detection without the influence of leakage current while maintaining good connection between a metal erected body and a semiconductor substrate through eutectic bonding. .

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

(1)  本願第1の発明は、 第1導電型の半導体基板と、 この半導体基板の上面に形成され、第1導電型とは逆の
第2導電型の不純物を含み、機械的変形によって電気抵
抗が変化する性質をもった抵抗素子と、 支持部と作用部とを有し、作用部の支持部に対する変位
に基づいて抵抗素子に機械的変形を生じさせる金属製の
起歪体と、 半導体基板の下面と起歪体との間に充填形成され、半導
体基板および起歪体に対して、それぞれ共品結合をなす
接続層と、 を備え、作用部に加えられた力を抵抗素子の電気抵抗の
変化により検出する力検出装置において、半導体基板の
下面側に、第2導電型の不純物を含んだ逆導電層を形成
したものである。
(1) The first invention of the present application includes a semiconductor substrate of a first conductivity type, and an impurity formed on the upper surface of the semiconductor substrate and containing an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type. A resistance element having a property of changing resistance; a metal strain-generating body having a support part and an action part and causing mechanical deformation in the resistance element based on displacement of the action part with respect to the support part; and a semiconductor. a connecting layer that is filled between the lower surface of the substrate and the strain-generating body and forms a co-bonding with the semiconductor substrate and the strain-generating body, respectively; In a force detection device that detects a change in resistance, a reverse conductive layer containing impurities of a second conductivity type is formed on the lower surface side of a semiconductor substrate.

(2)  本願第2の発明は、 第1導電型の半導体基板と、 この半導体基板の上面に形成され、第1導電型とは逆の
第2導電型の不純物を含み、機械的変形によって電気抵
抗が変化する性質をもった抵抗素子と、 支持部と作用部とを有し、作用部の支持部に対する変位
に基づいて抵抗素子に機械的変形を生じさせる金属製の
起歪体と、 半導体基板の下面と起歪体との間に充填形成され、半導
体基板および起正体に対して、それぞれ共品結合をなす
接続層と、 を備え、作用部に加えられた力を抵抗素子の電気抵抗の
変化により検出する力検出装置において、抵抗素子が形
成された領域の境界に存在するPN接合に対して、逆方
向バイアスを印加する電圧印加手段を設けたちのである
(2) The second invention of the present application includes a semiconductor substrate of a first conductivity type, and an impurity formed on the upper surface of the semiconductor substrate and containing an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and which generates electricity by mechanical deformation. A resistance element having a property of changing resistance; a metal strain-generating body having a support part and an action part and causing mechanical deformation in the resistance element based on displacement of the action part with respect to the support part; and a semiconductor. a connecting layer that is filled between the lower surface of the substrate and the strain-generating body and forms a common bond with the semiconductor substrate and the strain-generating body, respectively; In a force detecting device that detects a change in resistance, a voltage applying means is provided to apply a reverse bias to a PN junction existing at the boundary of a region where a resistive element is formed.

〔作 用〕[For production]

(1)  本願第1の発明によれば、半導体基板の下面
側に形成された逆導電層により基坂内にPN接合が形成
され、このPN接合による電泣障壁によって抵抗素子か
ら起歪体へ流れるリーク電流が阻止される。しかも、こ
の逆導電層はもとの半導体基板の結晶構造をそのまま維
持しているため、接続層を介して起歪体に至るまで共晶
結合を保つことができる。
(1) According to the first invention of the present application, a PN junction is formed in the base slope by the reverse conductive layer formed on the lower surface side of the semiconductor substrate, and an electric current flows from the resistance element to the strain body due to the electrical barrier caused by this PN junction. Leakage currents are prevented. Furthermore, since this reverse conductive layer maintains the crystal structure of the original semiconductor substrate as it is, eutectic bonding can be maintained up to the strain body via the connection layer.

(2)  本願第2の発明によれば、抵抗素子が形成さ
れた領域の境界に存在するPN接合に対して、逆方向バ
イアスが印加される。この遣方向パイアスによる電位障
壁によって抵抗素子から起歪体へ流れるリーク電流が阻
止される。半導体基板と起歪体との間に絶縁膜を形成す
るような必要はないため、接続層を介しての半導体基板
と起歪体との共晶結合が容易に得られる。
(2) According to the second invention of the present application, a reverse bias is applied to the PN junction existing at the boundary of the region where the resistance element is formed. The leakage current flowing from the resistance element to the strain body is blocked by the potential barrier caused by this direction bias. Since there is no need to form an insulating film between the semiconductor substrate and the strain body, a eutectic bond between the semiconductor substrate and the strain body can be easily obtained via the connection layer.

〔実施的〕[Practical]

以下本発明を図示する実施例に基づいて説明する。 The present invention will be described below based on illustrated embodiments.

第1の実施例 第1図(a)は、本願第1の発明の一実施IFI1に係
る力検出装置の側断面図である。この装置は、半導体基
板10、接続層20、そして起歪体30によって構成さ
れている。半導体基板10はN型のシリコンからなり、
部分的にP型の不純物を拡散した領域が形戊されている
。半導体基板10の拡大側断面図を同図(b)に示す。
First Embodiment FIG. 1(a) is a side sectional view of a force detection device according to an IFI1 according to the first embodiment of the present invention. This device is composed of a semiconductor substrate 10, a connection layer 20, and a strain body 30. The semiconductor substrate 10 is made of N-type silicon,
A region in which P-type impurities are partially diffused is formed. An enlarged side sectional view of the semiconductor substrate 10 is shown in FIG.

上面に形威されたゲージ抵抗11は、N型の半導体基板
10にP型の不純物を拡散することにより得られる抵抗
素子であり、機械的変形によって電気抵抗が変化するピ
エゾ抵抗効果を有する。第1図では、ゲージ抵抗11と
して2つのみを示しているが、実際にはより多くのゲー
ジ抵抗が所定の位置に所定の方向を向いて配置されてい
る。本願第1の発明の特徴は、半導体基板10の下面側
にP型の逆導電層13が形成されている点である。残り
のN型の領域が基板領域12となる。このように、半導
体基板10は、ゲージ抵抗11、基板領域12、逆導電
層13によって構成されることになる。
The gauge resistor 11 formed on the top surface is a resistance element obtained by diffusing P-type impurities into the N-type semiconductor substrate 10, and has a piezoresistance effect in which electrical resistance changes due to mechanical deformation. In FIG. 1, only two gauge resistors 11 are shown, but in reality, more gauge resistors are arranged at predetermined positions and facing in predetermined directions. A feature of the first invention of the present application is that a P-type reverse conductive layer 13 is formed on the lower surface side of the semiconductor substrate 10. The remaining N-type region becomes the substrate region 12. In this way, the semiconductor substrate 10 is composed of the gauge resistor 11, the substrate region 12, and the reverse conductive layer 13.

起歪体30は、コバール(鉄、コバルト、ニッケルの合
金)からなり、ほぼ円盤状をしている。
The strain body 30 is made of Kovar (an alloy of iron, cobalt, and nickel) and has a substantially disk shape.

中心にある作用部31は、この円盤の中心から突出した
形になっており、検出すべき外力はこの作用部31に加
えられる。この作用部31は、可撓部32を介して外周
部分にある支持部33に連なっている。支持部33は装
置本体に固着される。
An acting portion 31 located at the center is shaped to protrude from the center of the disk, and an external force to be detected is applied to this acting portion 31. This action portion 31 is connected to a support portion 33 located on the outer periphery via a flexible portion 32. The support portion 33 is fixed to the main body of the device.

可撓部32は厚みを薄くすることにより可撓性をもたせ
た部分である。したがって、作用部31に外力が加わる
と、この可撓部32が撓むことにより、作用部31は支
持部33に対して変位を生じることになる。
The flexible portion 32 is a portion that is made flexible by reducing its thickness. Therefore, when an external force is applied to the acting portion 31, the flexible portion 32 is bent, causing the acting portion 31 to be displaced with respect to the support portion 33.

接続層20は、この半導体基板10と起歪体30との間
に充填され、両者を接続する層である。
The connection layer 20 is a layer that is filled between the semiconductor substrate 10 and the strain body 30 and connects them.

この接続層20の特徴は、接続層20と半導体基仮10
との間、および接続層20と起歪体30との間、のそれ
ぞれが共晶結合によって接続されている点である。この
ような接続層20によって両者を接続すると、半導体基
板10から起歪体30までが結晶構造によって連結され
ることになる。
The characteristics of this connection layer 20 are that the connection layer 20 and the semiconductor substrate 10 are
and between the connection layer 20 and the strain-generating body 30 are connected by eutectic bonding. When the two are connected by such a connection layer 20, the semiconductor substrate 10 to the strain body 30 are connected by the crystal structure.

しかも接続層20は両者間に充填された層になるため、
隙間のない均一な接続が行われる。したがって、起歪体
30に生した機械的変形が半導体基板10上のゲージ抵
抗11まで正確に伝達され、外力の正確な測定が可能に
なる。
Moreover, since the connection layer 20 is a layer filled between the two,
A uniform connection is made with no gaps. Therefore, the mechanical deformation generated in the strain body 30 is accurately transmitted to the gauge resistor 11 on the semiconductor substrate 10, making it possible to accurately measure external force.

第2図は、第1図に示す装置の製造方法を示す図である
。まず、N型シリコンの半導体基板10の上面の所定の
位置にP型不純物を拡散してゲージ抵抗11を形成する
。この後、各ゲージ抵抗11に対して、アルミニウムな
どによる配線か施されるが、ここでは説明を省略する。
FIG. 2 is a diagram showing a method of manufacturing the device shown in FIG. 1. First, a P-type impurity is diffused into a predetermined position on the upper surface of an N-type silicon semiconductor substrate 10 to form a gauge resistor 11 . Thereafter, wiring made of aluminum or the like is applied to each gauge resistor 11, but the explanation is omitted here.

続いて、半導体基板10の下面にもP型不純物を拡散し
て逆導電層13を形成する。この逆導電層13の上に、
金をスバノタ法あるいは蒸着唐によってっけ、金層21
を形成する。一方、起歪体30の表面にクロム層22を
スパッタ峡なとによって形成し、その上に金層23をス
パッタ怯あるいは蒸着広によって形或する。そして、金
と錫の合金箔24を用意し、この合金箔24を間に挟ん
た状態で、半導体基板10と起歪体30との間に加重を
加えて擦り合わせる。このとき、温度を280〜320
℃とする。すなわち、いわゆるスクラブ注を行うことに
なる。これにより、金層21と合金済24との間が共晶
結合し、金層23と合金7324との間も共晶結合する
ことになる。桔局、半導体基仮10と起歪体30との間
には、層21〜24によって構戊される接続層20か形
戊され、すべてが共晶結合によって接続されることにな
る。なお、クロム層22は、起歪体30と金層23との
接続を良好にするための層であり、クロム層のかわりに
ニソケル層を用いてもよい。あるいはクロム層の上に更
にニッケル層を形戊してもよい。また、合金箔24とし
て、金と錫の合金の代わりに、金とシリコンなどの共晶
の合金を用いてもよい。要するに合金24としては、共
晶合金を形成する材料であれば何を用いてもかまわない
Subsequently, P-type impurities are also diffused on the lower surface of the semiconductor substrate 10 to form a reverse conductive layer 13. On this reverse conductive layer 13,
The gold layer 21 is deposited by the Subanota method or vapor deposition process.
form. On the other hand, a chromium layer 22 is formed on the surface of the strain-generating body 30 by sputtering, and a gold layer 23 is formed thereon by sputtering or vapor deposition. Then, an alloy foil 24 of gold and tin is prepared, and with the alloy foil 24 sandwiched therebetween, a load is applied between the semiconductor substrate 10 and the strain body 30 to rub them together. At this time, set the temperature to 280-320
℃. In other words, so-called scrubbing is performed. As a result, eutectic bonding occurs between the gold layer 21 and the alloyed material 24, and eutectic bonding also occurs between the gold layer 23 and the alloy 7324. Finally, a connection layer 20 composed of layers 21 to 24 is formed between the semiconductor substrate 10 and the strain body 30, and all are connected by eutectic bonding. Note that the chromium layer 22 is a layer for improving the connection between the strain body 30 and the gold layer 23, and a Nisokel layer may be used instead of the chromium layer. Alternatively, a nickel layer may be further formed on the chromium layer. Moreover, as the alloy foil 24, a eutectic alloy of gold and silicon, etc. may be used instead of an alloy of gold and tin. In short, any material may be used as the alloy 24 as long as it forms a eutectic alloy.

本願第1の発明の要点は、このような構造をもった力検
出装置において、逆導電層13を形成することにより、
ゲージ抵抗11から起歪体30へと流れるリーク電滝を
阻止することにある。前述のように、半導体基板10と
起歪体30とは、金属からなる接続層20によって共品
結合されているため、半導体基板10と起歪体30とは
導通状態となってしまう。一般に、起歪体30は装置筐
体などにネジ止めされるため、ゲージ抵抗11から装置
筐体にリーク電流が流れると、測定精度に重大な影響を
与えることになる。本装置では、基仮領域12と逆導電
層13との間に形成されるPN接合による電位障壁によ
って、このリーク電流を阻止することができる。
The main point of the first invention of the present application is that in a force detection device having such a structure, by forming the reverse conductive layer 13,
The purpose is to prevent leakage of electric current from flowing from the gauge resistor 11 to the strain body 30. As described above, since the semiconductor substrate 10 and the strain-generating body 30 are connected together by the connection layer 20 made of metal, the semiconductor substrate 10 and the strain-generating body 30 are electrically connected. Generally, the strain-generating body 30 is screwed to the device casing, so if a leakage current flows from the gauge resistor 11 to the device casing, it will seriously affect measurement accuracy. In this device, this leakage current can be blocked by a potential barrier formed by a PN junction formed between the base temporary region 12 and the reverse conductive layer 13.

なお、本装置を製造する場合、接続層20が半導体基板
10の側面にまわり込まないようにするのか好ましい。
Note that when manufacturing this device, it is preferable to prevent the connection layer 20 from wrapping around the side surface of the semiconductor substrate 10.

第3図に示す例のように、接続層20か半導体基1fl
Oの側面にまわり込み、基仮領域12と接続層20とが
接するようになると、半導体基板lOの側面からリーク
電流が流れるようになり好ましくない。
As in the example shown in FIG.
If the leakage current goes around the side surface of the semiconductor substrate 10 and comes into contact with the base temporary region 12 and the connection layer 20, a leakage current will flow from the side surface of the semiconductor substrate 10, which is not preferable.

第2の実施例 続いて、本願第2の発明の一実施例に係る力検出装置に
ついて説明する。はじめに、本発明の基本原理を第4図
を用いて説明する。第4図は、半導体基板10の断面図
(ハッチングを施して示す)にこれに対する回路図を付
記したものである。この装置では、前述の第1の実施例
の装置のように、半導体基板10の下面側に逆導電層1
3を形成する必要はない。別言すれば、半導体基t!L
10のN型の基板領域12をそのまま接続層20に共晶
結合させてかまわない。この装置は、起歪体30から伝
達されてくる外力によってゲージ抵抗11の電気抵抗が
変化することを利用して、外力の測定を行う装置である
から、ゲージ抵抗11の電気抵抗を測定しうる険出回路
か必要である。この例では、直列接続した2つのゲージ
抵抗11に検出用電圧Vrefを印加するための第1の
電源41を設けている。電源41からの電流は、図の点
A,B,C,Dという検出用の電流路を通って流れるこ
とになる。実際には、後述するように、いくつかのゲー
ジ抵抗l1によってブリッジ回路が組まれる。
Second Embodiment Next, a force detection device according to an embodiment of the second invention of the present application will be described. First, the basic principle of the present invention will be explained using FIG. 4. FIG. 4 is a cross-sectional view (shown by hatching) of the semiconductor substrate 10 with a corresponding circuit diagram added thereto. In this device, as in the device of the first embodiment described above, a reverse conductive layer 1 is provided on the lower surface side of the semiconductor substrate 10.
There is no need to form 3. In other words, semiconductor base t! L
The ten N-type substrate regions 12 may be eutectically bonded to the connection layer 20 as they are. Since this device is a device that measures external force by utilizing the fact that the electrical resistance of the gauge resistor 11 changes due to the external force transmitted from the strain body 30, it is possible to measure the electrical resistance of the gauge resistor 11. An outgoing circuit is required. In this example, a first power source 41 is provided for applying a detection voltage Vref to two gauge resistors 11 connected in series. The current from the power source 41 flows through detection current paths indicated by points A, B, C, and D in the figure. Actually, as will be described later, a bridge circuit is formed by several gauge resistors l1.

本発明の特徴は、更に第2の電源42を設けた点にある
。この電源42は、前述した険出用の電滝路A,  B
,  C, Dに対して、基板領域12内の点Fにバイ
アス電圧Eを印加する機能をもつ。ここで、バイアス電
圧E≧検出用電圧Vrefである。いま、ゲージ抵抗1
1の境界部分を考えると、基仮領域12との間にPN接
合が形成されている。
A feature of the present invention is that a second power source 42 is further provided. This power source 42 is connected to the above-mentioned electric waterfall paths A and B.
, C, and D, it has a function of applying a bias voltage E to a point F in the substrate region 12. Here, bias voltage E≧detection voltage Vref. Now, gauge resistance 1
Considering the boundary portion of 1, a PN junction is formed between it and the base temporary region 12.

しかも、バイアス電圧Eは、このPN接合に関して逆方
向バイアスとなる極性となっている。したかって、ゲー
ジ抵抗11から基板領域12へと流れるリーク電流は、
この逆方向バイアスによる電位障壁によって阻止される
。これが本発明の基本原理である。この方法によれば、
基板領域12から起歪(*30に至るまでか電気的に導
通状態となっていても、リーク電成を阻止することがで
きる。
Furthermore, the bias voltage E has a polarity that provides a reverse bias with respect to this PN junction. Therefore, the leakage current flowing from the gauge resistor 11 to the substrate region 12 is
This is blocked by a potential barrier caused by this reverse bias. This is the basic principle of the invention. According to this method,
Even if the substrate region 12 and the strain region (*30) are electrically conductive, leakage current formation can be prevented.

第5図は、本発明の一実施例に係る力検出装置の具体的
な配線例を示す側断面図てある。起歪体30の支持部3
3に配線孔34(図では2つの配線孔34a,34bの
みを示す)を設け、この配線孔34a,34bに配線ピ
ン35a,35bを通し、ボンディングワイヤ36a,
36bによって起歪体30および半導体基板10に対し
て配線を行っている。配線ピン35aの図の下端部に逆
方向バイアス電圧Eを印加すれば、ボンディングワイヤ
36a1起歪体30、接続層20を介して半導体基仮1
2の下面、すなわち第4図における点Fに、この逆方向
バイアスEか印加されることになる。もちろん、ボンデ
ィングワイヤ36aを接続層20や半導体基板IOに直
接接続してもかまわない。一方、配線ピン35bの図の
下端部に検出用電圧Vre fを印加すれば、ボンディ
ングワイヤ36bによって、この電圧Vrefは半導体
基板10の上面に形成されたゲージ抵抗r1〜r4に印
加される。この図に示されている4つのゲージ抵抗r1
〜r4は、作用部31の下端に矢印方向の力を作用させ
たときに点Pにおいて生ずるモーメント力を険出するた
めのものである。
FIG. 5 is a side sectional view showing a specific wiring example of a force detection device according to an embodiment of the present invention. Support part 3 of strain body 30
A wiring hole 34 (only two wiring holes 34a, 34b are shown in the figure) is provided in 3, wiring pins 35a, 35b are passed through these wiring holes 34a, 34b, and bonding wires 36a,
36b provides wiring to the strain body 30 and the semiconductor substrate 10. If a reverse bias voltage E is applied to the lower end of the wiring pin 35a in the diagram, the semiconductor substrate 1
This reverse bias E is applied to the lower surface of 2, that is, point F in FIG. Of course, the bonding wire 36a may be directly connected to the connection layer 20 or the semiconductor substrate IO. On the other hand, if a detection voltage Vref is applied to the lower end of the wiring pin 35b in the figure, this voltage Vref is applied to the gauge resistors r1 to r4 formed on the upper surface of the semiconductor substrate 10 by the bonding wire 36b. The four gauge resistors r1 shown in this figure
~r4 is for exposing the moment force generated at point P when a force in the direction of the arrow is applied to the lower end of the acting portion 31.

第6図は第5図に示す装置を動作させるための定電圧駆
動型の具体的な回路図である。第4図の回路図では、2
つの電源41.42が記されているが、第6図に示す具
体的な回路では、電源51か2つのffiF!.41.
42を兼ねることになる。すなわち、7[[51は電圧
Eを発生し、ツエナーダイオード52と低抗53との直
列回路にこの電圧Eを印加することにより、節点Gに検
出用の定電圧Vrefか得られる。この電圧Vre f
は、演算増幅器54を介して、ゲージ抵抗r1〜「4に
よって構成されるブリッジ回路に与えられる。このブリ
ッジ回路の出力は、演算増幅器55.  56によって
構成される差動回路と演算増幅器57とを経て、出力端
子H,  Iに現れる。一方、端子Fに現れる逆方向バ
イアス電圧Eは、半導体基板lOの基!i2 nR域1
2に与えられる(第4母における点Fに相当)。このよ
うな構成により、第5図の点Pに矢印方向に作用する力
が、出力端子H,  1間の電圧として険出されること
になる。しかも、ケージ抵抗r1〜r4に対して、基仮
領域12には逆方向ハイアス電圧Eが与えられるように
なり、リーク電流は阻止される。
FIG. 6 is a specific circuit diagram of a constant voltage drive type for operating the device shown in FIG. 5. In the circuit diagram of Figure 4, 2
Although two power supplies 41 and 42 are shown, in the specific circuit shown in FIG. 6, the power supply 51 or two ffiF! .. 41.
It will also serve as 42. That is, 7[[51 generates a voltage E, and by applying this voltage E to the series circuit of the Zener diode 52 and the low resistor 53, a constant voltage Vref for detection is obtained at the node G. This voltage Vref
is given to a bridge circuit constituted by gauge resistors r1 to r4 through an operational amplifier 54.The output of this bridge circuit connects a differential circuit constituted by operational amplifiers 55 and 56 and an operational amplifier 57. Then, it appears at the output terminals H and I. On the other hand, the reverse bias voltage E appearing at the terminal F is the base !i2 nR region 1 of the semiconductor substrate lO.
2 (corresponding to point F in the fourth mother). With this configuration, the force acting in the direction of the arrow at point P in FIG. 5 is exposed as a voltage between output terminals H and 1. Moreover, the reverse high-ass voltage E is applied to the base temporary region 12 with respect to the cage resistors r1 to r4, and leakage current is prevented.

第7図は第5図に示す装置を動作させるための定電流駆
動型の具体的な回路図である。第6図に示す回路と構成
要素は同じであるが、接続関係が多少異なる。この回路
では、ブリッジ回路には常に定電流Iが供給されること
になる。また、ブリッジ回路の一端Jの電圧は、Fの端
子電圧より小さくなるように設計する必要かある。
FIG. 7 is a specific circuit diagram of a constant current drive type for operating the device shown in FIG. 5. The components are the same as the circuit shown in FIG. 6, but the connections are somewhat different. In this circuit, constant current I is always supplied to the bridge circuit. Also, it is necessary to design the bridge circuit so that the voltage at one end J is lower than the terminal voltage at F.

以上、具体的な回路図を2つ説明したが、本発明は要す
るにゲージ抵抗の境界に存在するPN接合について逆方
向となるバイアス電圧を供給することができる回路であ
れば、どのような回路を用いてもかまわない。
Two specific circuit diagrams have been explained above, but the present invention is, in short, any circuit that can supply a bias voltage in the opposite direction to the PN junction that exists at the boundary of the gauge resistor. You may use it.

他の実施例 本願第1の発明、および第2の発明について、いくつか
の実施飼を掲げて説明を行ったが、本願発明はこれらの
実施例のみに限定されるものではなく、種々の応用が可
能である。たとえば、第5図の例では、力の一方向成分
を険出するためのゲージ抵抗の配置のみを示したが、多
方向成分の力を検出するために多数のゲージ抵抗を所定
の位置、所定の方向に配置し、これらによって多数のブ
リッジを構成する装置についても本発明は適用可能であ
る。このような多方向成分の力検出装置についてのゲー
ジ抵抗の配置、ブリッジ構成などは、たとえば、特許協
力条約に基づく出願PCT/JP88/00395号明
細書に開示されている。
Other Examples Although the first and second inventions of the present application have been explained using several practical examples, the present invention is not limited to these examples only, and can be applied in various ways. is possible. For example, in the example shown in Fig. 5, only the arrangement of gauge resistors for detecting force in one direction is shown, but in order to detect force in multiple directions, a large number of gauge resistors are placed at predetermined positions and at predetermined positions. The present invention is also applicable to devices that are arranged in this direction and constitute a large number of bridges. The arrangement of gauge resistors, bridge configuration, etc. for such a multi-directional component force detection device is disclosed, for example, in Patent Cooperation Treaty application No. PCT/JP88/00395.

また、上述の実施例ではN型の半導体基板にP型の不純
物領域を形成するタイプのものを説明したが、P型とN
型とを全く入れ換えたタイプの装置にも本発明は適用可
能である。
Furthermore, in the above embodiment, a type in which a P-type impurity region is formed in an N-type semiconductor substrate was explained, but P-type and N-type impurity regions are formed in an N-type semiconductor substrate.
The present invention is also applicable to a type of device in which the type is completely replaced.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

(1)  本願第lの発明によれば、半導体基板の下面
側に形成された逆導電層により基板内にPN接合を形成
したため、このPN接合による電位障壁によって抵抗素
子から起歪体へ流れるリーク電流を阻止することができ
る。しかも、この逆導電層はちとの半導体基板の結晶構
造をそのまま維持しているため、接続層を介して起歪体
に至るまで共晶結合を保つことができ、外力を正確に抵
抗素子まで伝達させることかでき正確な測定が可能にな
る。
(1) According to the first invention of the present application, since a PN junction is formed in the substrate by the reverse conductive layer formed on the lower surface side of the semiconductor substrate, leakage flowing from the resistance element to the strain body due to the potential barrier caused by the PN junction Current can be blocked. Moreover, since this reverse conductive layer maintains the crystal structure of the original semiconductor substrate, it is possible to maintain eutectic bonding through the connection layer to the strain element, accurately transmitting external force to the resistance element. This allows for accurate measurements.

(2〉  本廓第2の発明によれば、抵抗素子か形戊さ
れた領域の}A界に存在するPN接合に対して逆方向バ
イアスを印加したため、この逆方向バイアスによる?1
S位障壁によって抵抗素子から起歪体へ流れるリークf
tSiAを阻止することができる。この方法によれば、
半導体基板と起歪体との問に絶縁膜を形成するような必
要はないため、接続層を介しての半導体基板と起歪体と
の共晶結合か容易に得られ、外力を正確に抵抗素子まで
伝達させることができ正確な測定が可能になる。
(2> According to the second invention of the present invention, since a reverse bias is applied to the PN junction existing in the A field of the region where the resistive element is formed, ?1 due to this reverse bias?
Leakage f flowing from the resistance element to the strain body due to the S-position barrier
tSiA can be prevented. According to this method,
Since there is no need to form an insulating film between the semiconductor substrate and the strain body, a eutectic bond between the semiconductor substrate and the strain body can be easily obtained through the connection layer, and external forces can be accurately resisted. It can be transmitted to the element, making accurate measurement possible.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図(a)は本願第1の発明の一実施例に係る力検出
装置の構造を示す側断面図、第1図(b)は同図(a)
の部分拡大図、第2図は第1図の装置の製造方法を示す
図、第3図は第2図の製造方法として不適当な例を示す
図、第4図は本願第2の発明の基本原理を示す図、第5
図は本廓第2の発明の一実施例に係る力検出装置の構造
を示す側断面図、第6図および第7図は第5図に示す装
置に用いる回路を示す回路図である。 l○・・・半導体基板、11・・・ゲージ抵抗、12・
・・基板領域、13・・・逆導電層、20・・・接続層
、21・金層、22・・・クロム層、23・・・金層、
24・・・金と錫の合金箔、30・・・起歪体、31・
・・作用部、32・・可撓部、33・・・支持部、34
a,34b・・・配線孔、35a,35b−=配線ビン
、36a,36b・・・ボンディングワイヤ、41・・
・第1の電源、42・・第2の電源、51・・・電源、
52・・・ツエナーダイオード、53・・・抵抗素子、
54〜57・・・演算増幅器。
FIG. 1(a) is a side sectional view showing the structure of a force detection device according to an embodiment of the first invention of the present application, and FIG. 1(b) is the same view (a).
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing method of the device shown in FIG. 1, FIG. 3 is a diagram showing an inappropriate example of the manufacturing method of FIG. 2, and FIG. Diagram showing the basic principle, 5th
The figure is a side sectional view showing the structure of a force detection device according to an embodiment of the second invention, and FIGS. 6 and 7 are circuit diagrams showing a circuit used in the device shown in FIG. 5. l○...Semiconductor substrate, 11...Gauge resistance, 12.
... Substrate region, 13... Reverse conductive layer, 20... Connection layer, 21... Gold layer, 22... Chromium layer, 23... Gold layer,
24...Gold and tin alloy foil, 30...Strain element, 31.
...Action part, 32...Flexible part, 33...Support part, 34
a, 34b...Wiring hole, 35a, 35b-=wiring bin, 36a, 36b...Bonding wire, 41...
- First power supply, 42... Second power supply, 51... Power supply,
52... Zener diode, 53... Resistance element,
54-57... operational amplifier.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)第1導電型の半導体基板と、 この半導体基板の上面に形成され、前記第1導電型とは
逆の第2導電型の不純物を含み、機械的変形によって電
気抵抗が変化する性質をもった抵抗素子と、 支持部と作用部とを有し、前記作用部の前記支持部に対
する変位に基づいて前記抵抗素子に機械的変形を生じさ
せる金属製の起歪体と、 前記半導体基板の下面と前記起歪体との間に充填形成さ
れ、前記半導体基板および前記起歪体に対して、それぞ
れ共晶結合をなす接続層と、を備え、前記作用部に加え
られた力を前記抵抗素子の電気抵抗の変化により検出す
る力検出装置において、 前記半導体基板の下面側に、前記第2導電型の不純物を
含んだ逆導電層を形成したことを特徴とする力検出装置
(1) A semiconductor substrate of a first conductivity type, which is formed on the upper surface of this semiconductor substrate and contains impurities of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and has a property that electrical resistance changes with mechanical deformation. a metal strain-generating body that has a support part and an action part and causes mechanical deformation in the resistance element based on displacement of the action part with respect to the support part; a connection layer that is filled and formed between a lower surface and the flexural body and forms a eutectic bond with the semiconductor substrate and the flexural body, respectively; What is claimed is: 1. A force detection device that detects a change in electrical resistance of an element, characterized in that a reverse conductive layer containing an impurity of the second conductivity type is formed on the lower surface side of the semiconductor substrate.
(2)第1導電型の半導体基板と、 この半導体基板の上面に形成され、前記第1導電型とは
逆の第2導電型の不純物を含み、機械的変形によって電
気抵抗が変化する性質をもった抵抗素子と、 支持部と作用部とを有し、前記作用部の前記支持部に対
する変位に基づいて前記抵抗素子に機械的変形を生じさ
せる金属製の起歪体と、 前記半導体基板の下面と前記起歪体との間に充填形成さ
れ、前記半導体基板および前記起歪体に対して、それぞ
れ共晶結合をなす接続層と、を備え、前記作用部に加え
られた力を前記抵抗素子の電気抵抗の変化により検出す
る力検出装置において、 前記抵抗素子が形成された領域の境界に存在するPN接
合に対して、逆方向バイアスを印加する電圧印加手段を
設けたことを特徴とする力検出装置。
(2) A semiconductor substrate of a first conductivity type, which is formed on the upper surface of this semiconductor substrate and contains an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and has a property that electrical resistance changes due to mechanical deformation. a metal strain-generating body that has a support part and an action part and causes mechanical deformation in the resistance element based on displacement of the action part with respect to the support part; a connection layer that is filled and formed between a lower surface and the flexural body and forms a eutectic bond with the semiconductor substrate and the flexural body, respectively; A force detection device that detects a change in electrical resistance of an element, characterized in that a voltage application means is provided for applying a reverse bias to a PN junction existing at a boundary of a region where the resistance element is formed. Force detection device.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0587650A (en) * 1991-09-30 1993-04-06 Nissan Motor Co Ltd Semiconductor stress detector
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